DE1501923B2 - Brenner fuer oel, gas oder pulverfoermigen brennstoff zum befeuern eines heizraums - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für öl, Gas oder pulverförmigen Brennstoff, zum Befeuern eines Heizraumes, mit einer sich in Hauptströmungsrichtung der Durchsatzströmung konisch erweiternden, langgestreckten Brennermuffel, einer am Eintrittsende angeordneten Brennstoffzuführung, einem radial verlaufenden Ringraum mit Drallschaufeln zur Zuführung von Verbrennungsluft, einem im Bereich der Brennstoffzuführung im Zentrum des Ringraumes angeordneten Spritzloch, und mit einer sich an das Austrittsende der Brennermuffel anschließenden Beschleunigungsdüse für die Flammgase.

Ein Brenner der obenbeschriebenen Art ist durch die französische Patentschrift 1 282 230 bekannt geworden. Der Verbrennungs- und Strömungsvorgang

ίο läuft in einem solchen Brenner folgendermaßen ab: Die Verbrennungsluft tritt am Eintrittsende der Brennermuffel in diese mit Drall ein. Koaxial zur Brennermuffel wird der Brennstoff eingeführt. Die Verbrennungsluft strömt spiralenförmig entlang der Brennermuffelwand zu deren weitem Ende. Im Bereich der Achse der Brennermuffel herrscht ein Unterdruck, der am Eintrittsende größer ist als am Austrittsende. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Umfangskomponente der Drallströmung vom Eintrittsende zum Austrittsende verrringert, so daß die auf die Luft wirkenden Fliehkräfte kleiner werden. Das Druckgefälle bewirkt, daß sich am Austrittsende der Brennermuffel ein Teil der Strömung nach innen zurückstülpt und zum Eintrittsende zurückströmt. Es ergeben sich also zwei entgegengesetzte Strömungen.

Zwischen diesen bildet sich ein Bereich intensiver Turbulenz aus, in welchem die Verbrennungsluft sehr intensiv mit dem Brennstoff vermischt wird. Die Verbrennung findet zu einem beachtlichen Teil im Inneren der Brennermuffel mit optimalem Wirkungsgrad statt. Der nicht rezirkulierende Anteil der Strömung gelangt vom Austrittsende der Brennermuffel in die Beschleunigungsdüse, wird dort beschleunigt und tritt als schneller Flammgasstrahl in den Heizraum ein.

Bei der praktischen Realisierung von Brennern der beschriebenen Art hat sich ein schwerwiegendes Problem ergeben. Es muß angestrebt werden, dem Flammstrahl eine möglichst hohe Geschwindigkeit zu erteilen. Auf der anderen Seite muß zur Erzielung einer mögliehst wirtschaftlichen Verbrennung in der Muffel eine sehr starke Turbulenz herrschen. Hierzu muß die Rückströmung im Bereich der Muffelachse sehr intensiv sein. Die erstgenannte Forderung läßt sich durch ein starkes Druckgefälle vom Austrittsende der Brennermuffel zum Austrittsende der Beschleunigungsdüse verwirklichen. Dagegen verlangt die zweite Forderung ein starkes Druckgefälle vom Austrittsende der Brennermuffel zu deren Eintrittsende. Diese sich widersprechenden Forderungen machen es außerordentlich schwierig, ein stabiles Strömungsbild zu erzielen. Die Stabilität der Strömung soll aber besonders groß sein, da sonst die Flamme beginnt, die akustischen Eigenfrequenzen des Systems Ofen—Brennermuffel und gegebenenfalls des nachgeschalteten Rauchgasweges anzuregen. Die dabei entstehenden Druckamplituden können erfahrungsgemäß die Größe von mehreren Metern Wassersäule erreichen. Ferner hat sich gezeigt, daß der bekannte Brenner beim Übergang auf andere Leistungen neu ausgelegt werden mußte. Eine maßstäbliche Änderung zur Anpassung an andere Leistungen war nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der eingangs beschriebenen Gattung so auszubilden, daß er auf wirtschaftliche Weise einen sehr schnellen Flammstrahl von hoher Flammstabilität mit einem von der Reynoldszahl unabhängigen Strömungsbild erzeugt und sich namentlich für größere Verbrennungsleistungen eignet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß vom Hauptverbrennungsluftstrom ein in der Menge einstellbarer Teilluftstrom abzweigbar und durch das Spritzloch in die Brennermuffel einführbar ist und der im folgenden angegebene Spiralwinkel α sowie die auf den Austrittsdurchmesser D₁ der Brennermuffel bezogenen Abmessungsverhältnisse des Eintrittsdurchmessers d_x der Brennermuffel und der axialen Länge b der Drallschaufeln zugrunde gelegt werden, die unter Berücksichtigung der Kompensationsregel des Drallsatzes b · d_x· α = const, veränderlich sind

Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel Ct-JD₁ = 0,5

axiale Länge der Drallschaufeln ... OjD₁ = 0,3 Spiralwinkel des Lufteintritts gegen

die Umfangsrichtung α = 12—14°

und ferner folgende gleichbleibende Abmessungsverhältnisse wiederum bezogen auf den Austrittsdurchmesser D₁ eingehalten sind

Austrittsdurchmesser der

Beschleunigungsdüse DJD₁ = 0,4

Länge der Brennermuffel LJD₁ = 1,8

Länge der Beschleunigungsdüse ... LJD₁ = 0,8

Durchmesser des Spritzloches (IsID₁ =0,12

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei Einhaltung dieser Charakteristika der Strömung eine sehr gute Flammstabilität erzielt werden kann. Die einander widersprechenden Forderungen, daß der Flammgasstrahl eine bisher unerreichte Geschwindigkeit besitzen und die Turbulenz in der Brennermuffel sehr stark sein soll, sind also erfüllt. Durch die Erfindung gelingt es, die Druckgefälle vom Austrittsende der Brennermuffel in beiden Richtungen ausreichend groß zu machen und trotzdem ein stabiles Gleichgewicht einzuhalten. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Brenners besteht darin, daß das Strömungsbild im Brenner nicht von der Reynolds-Zahl abhängt. Das bedeutet, daß nach einmaliger Festlegung der Verhältnisse zwischen den kennzeichnenden Abmessungen des Brenners dieser unabhängig von der absoluten Größe der Luftgeschwindigkeit und den Stoffeigenschaften des Hauptströmungsmediums, also beispielsweise der Temperatur oder der Zusammensetzung der Verbrennungsluft, ist. Man kann den Brenner beliebig vergrößern oder verkleinern oder mit beliebig gesteigerten Geschwindigkeiten betreiben. Das Strömungsbild, die darin ablaufenden Mischungsvorgänge und damit das Flammbild und das Verbrennungsergebnis bleiben davon unberührt; die Flammlänge hängt innerhalb geringer Grenzen nicht vom Brennstoffdurchsatz, sondern nur vom Verhältnis Brennstoff zu Luft ab. Bei richtiger Dosierung des durch das Spritzloch einführbaren Teilluftstroms füllt dieser das Spritzloch vollständig aus, wird nach dessen Durchströmung von der Rückströmung in der Brennkammer radial auseinandergedrückt und verteilt sich als pilzartiger Kaltluftschleiner radial über die Eintrittsstirnseite der Brennermuffel. Er schützt diese solchermaßen vor der Berührung durch die Rückströmung und verhindert die Bildung von Ablagerungen. Das Eindüsensystem bleibt sauber und arbeitet ohne Störung. Da das Strömungsbild in der Brennermuffel von der Reynolds-Zahl unabhängig ist, genügt es, den Teilluftstrom einmal einzustellen, woraufhin diese Einstellung für alle Durchsätze stimmt. Allerdings läßt sich die maßstäbliche Verkleinerung des Brenners

nur bis zu Leistungen von ca. 300000 kcal/h vornehmen. Geht man darunter, muß ein Rußen der Flamme in Kauf genommen werden.

Die obengenannten, erfindungsgemäßen Bedingungen ergeben sich, wenn für die Verbrennung von 6000000 kcal/h bei einem Vordruck der Verbrennungsluft von 600 mm WS im wesentlichen folgende Abmessungen eingehalten sind:

Eintrittsdurchmesser der Brennermuffel J₁ = 455 mm

Austrittsdurchmesser der Brennermuffel und Eintrittsdurchmesser der

Beschleunigungsdüse D _t = 870 mm

Austrittsdurchmesser der

Beschleunigungsdüse D₂ = 350 mm

Länge der Brennermuffel L₁ = 1660 mm

Länge der Beschleunigungsdüse L₂ = 750 mm

Axiale Länge der Drallschaufeln .... b = 254 mm Spiralwinkel des Lufteintritts gegen

die Umfangsrichtung a = 12—14°

Vorzugsweise sind die Drallschaufeln als logarithmische Spiralen geformt, welche zwischen sich Luftkanäle bilden, deren überdeckende Länge wenigstens das 3fache des mittleren Schaufelabstandes beträgt. Bei Einhaltung der vorstehenden Abmessungen führt dies zur Anbringung von vier Drallschaufeln.

Der erfindungsgemäße Brenner kann auch mit Gas betrieben werden. Hierzu ist nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß um den zentralen Teilluftstromraum herum ein ringförmiger Brenngassammeiraum angeordnet ist, der durch zur Spritzöffnung konzentrische Öffnungen mit dem Eintrittsende der Brennermuffel in Verbindung steht.

Der Durchmesser, auf dem die Öffnungen für den Gaseintritt angeordnet sind, soll im Mittel etwa 50% des Eintrittsdurchmessers der Brennermuffel betragen. Wird der Durchmesser vergrößert, so liegen die Gasaustritte noch im Bereich zu hoher Frischluftgeschwindigkeiten, was zu schlechtem Teillastverhalten führt. Bei Verkleinerung des Durchmessers kann der Brenngassammeiraum verschmutzt werden, wenn der Brenner mit schwerem Heizöl betrieben und der Teilluftstrom falsch eingestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brenner zeigt.

Der in der Zeichnung dargestellte Brenner 1 weist drei Hauptteile auf, eine Brennermuffel 2, einen Brennerkopf 3, der sich an das Eintrittsende der Brennermuffel 2 anschließt, und eine sich an das Austrittsende 5 der Brennermuffel anschließende Beschleunigungsdüse 6. Die Brennermuffel 2 und die Beschleunigungsdüse 6 sind in einer Ausmauerung 7 enthalten.

Die Brennermuffel 2 erweitert sich von einem Durchmesser Ci₁ am Eintrittsende 4 konisch auf einen Durchmesser D₁ am Austrittsende 5. Die Beschleunigungsdüse,6 ist vom Durchmesser D₁ auf einen Durchmesser D₂ an ihrem Austrittsende 8 verjüngt. An das Austrittsende 8 der Beschleunigungsdüse 6 schließt sich ein durch den Brenner 1 zu befeuernder Heizraum 9 beliebiger Gestalt an. Die Länge der Brennermuffel 2 ist mit L₁ bezeichnet, während die Länge der Beschleunigungsdüse 6 mit L₂ angegeben ist.

In den Brennerkopf 3 mündet eine Zufuhrleitung 10 für die Verbrennungsluft, die im Sinne der Pfeile A strömt. Der Verbrennungsluftstrom dringt in einer Hauptsammeiraum 11 ein, in welchem sein Impul

5 6

durch eine Ringwand 12 gebrochen wird. Eine Drossel- des Austrittsendes 5 der Brennermuffel nach innen stelle 13 beruhigt die Hauptluftströmung, die anschlie- umstülpt und im Zentrum der Brennermuffel im Sinne ßend in einen Zwischensammelraum 14 gelangt. Dieser der Pfeile F zurückströmt. Zwischen den Strömungen ist über eine Drallvorrichtung 15 mit dem Eintritts- E und F ergibt sich dadurch ein Gebiet starker Turbuende 4 der Brennermuffel 2 verbunden. Die Drallvor- 5 lenz T, indem eine intensive Vermischung des im Bereich richtung 15 besteht bei dem gezeichneten Ausführungs- des Brennerkopfes 3 in die Muffel eingeführten Brennbeispiel aus vorwiegend radial verlaufenden Drall- stoffes mit der Verbrennungsluft stattfindet. Der nicht schaufeln 16, deren axiale Länge mit b angegeben ist. rezirkulierende Anteil des brennenden Brennstoff-Luft-Die Drallschaufeln haben einen Winkel α gegen die Gemisches wird in der Beschleunigungsdüse 6 auf Umfangsrichtung, der aus der Zeichnung nicht ersieht- io höhere Geschwindigkeit gebracht und schlägt im Sinne lieh ist. Die axiale Länge des gesamten Brennerkopfes der Pfeile G aus dem Austrittsende 8 der Beschleuniist mit B bezeichnet. . gungsdüse 6 in Form eines langen schnellen und ... Der Brennerkopf 3 enthält eine Stirnwand 17, die schlanken Flammgasstrahls in den Heizraum 9 hinein, im Bereich der zentralen Brennerachse O ein Spritzloch Die Strömung G in der Beschleunigungsdüse 6 hat 18 vom Durchmesser d$ aufweist. Hinter dem Spritz- 15 ebenfalls einen Drall, der in Richtung der Düse zuloch 18 befindet sich ein Teilluftsammelraum 19, der nimmt. Dadurch ergibt sich in der Achse O des über einen Kanal 20 mit dem Zwischensammelraum 14 Brenners vom Punkt P zum Punkt S ebenfalls ein in Verbindung steht. Der Durchtrittsquerschnitt zwi- Druckgefälle.

sehen dem Zwischensammelraum 14 und dem Kanal Auf halber Länge der Brennermuffel ergibt sich bei 20 ist durch Verstellung eines Ventils 21 im Sinne des 20 der beschriebenen Strömung ein Geschwindigkeitsdia-Doppelpfeiles B₁ einstellbar. Dadurch kann aus dem gramm, wie es oberhalb der Brennermuffel im Bereich Zwischensammelraum 14 über den Kanal 20 ein Teil- der halben Muffellänge in der Zeichnung angedeutet luftstrom in den Teilluftsammelraum 19 eingeführt ist. An den Wänden der Brennermuffel ist eine verwerden. In dem Teilluftsammelraum 19 befinden sich hältnismäßig große Strömungsgeschwindigkeit im eine Einspritzdüse 22 zum Eindüsen von flüssigen oder 25 Hauptströmungssinn vorhanden, während in der Achse pulverförmigen Brennstoffen im Sinne des Pfeiles C eine Rückströmung ausgebildet ist. Werden die Absowie ein Zündbrenner 23 und eine Flammüber- messungen des Brenners wie oben angegeben gewählt, wachung 24. Diese Brennerhilfsorgane liegen mit ihren dann bildet sich infolge des Dralls im Bereich des vorderen Enden im Abstand hinter dem Spritzloch 18. Punkts Q bzw. zwischen diesem und der Stirnwand 17 Der zentrale Teilluftsammelraum 19 ist von einem 30 im Bereich der Achse O ein Unterdruck aus, der 10-ringförmigen Brenngassammeiraum 25 umgeben, in bis 20mal größer ist als der mittlere Staudruck der welchen durch ein Rohr 26 Brenngas im Sinne des Durchsatzströmung auf halber Länge der Brenner-Pfeiles D einführbar ist. Der Brenngassammeiraum 25 muffel, gemessen am Ort höchster Geschwindigkeit steht über eine Drosselstelle 27 mit einem Gaszwischen- des dortigen Geschwindigkeitsprofils Gd. Wenn diese sammelraum 28 in Verbindung, in dessen Bereich 35 Druckverhältnisse herrschen, ergibt sich ein stabiles öffnungen 29 in der Stirnwand 17 auf einem Durch- Strömungsbild bei hoher Geschwindigkeit des Flammmesser d₂ angeordnet sind. gasstrahls. Bei der angegebenen Verbrennung von Es sind insgesamt vier Drallschaufeln 16 vorge- 6000000 kcal/h verlassen die Flammgase das Austrittssehen, die nach einer logarithmischen Spirale verlaufen ende der Beschleunigungsdüse 6 mit einer Geschwin- und zwischen sich Luftkanäle einschließen. 40 digkeit von etwa 150 m/sec, wobei sie eine mittlere Der in der Abbildung gezeigte Brenner besitzt fol- Temperatur von 1650⁰C haben. Der Schub oder Impuls gende Abmessungen: des Brenners beträgt dabei 40 kp. Dieses ist ein Schub, j) — 350 _mm der die Wirkung bisher üblicher Brenner etwa um das jf _ gyo _mnr' Zehnfache übertrifft. Entsprechend ist die Auswirkung £* _ 750 mm' 45 des Brenners auf das befeuerte Objekt.
L₁ = 1660 mm' Soll eine andere Verbrennungsleistung erzielt wer- d _ 455 _mm' den, so ist ein anderer Durchsatz erforderlich. Demd¹ = 230 mm', entsprechend sind die linearen Abmessungen des Bren- d_s _ 115 mm' ^{ners zu} ändern und zwar im Verhältnis der Wurzel b = 354 mm! ⁵° ^^er Durchsätze. Ferner ist es möglich, die axiale Drall-B _ 563 _mm' schaufellänge b, den kleinsten Brennermuffeldurchmesser d_x und den Spiralwinkel des Lufteintritts unter

Der von den Drallschaufeln 16 bestimmte Spiral- Berücksichtigung der Kompensationsregel des Drall-• winkel des Lufteintritts ergibt sich unter Berücksich- satzes zu verändern. Jede solche Änderung in einer der tigung der Kompensationsregel des Drallsatzes auf 55 genannten Einflußgrößen muß durch eine im wesent-Grund der geänderten Drallschaufelbreite. liehen linear proportionale Änderung einer anderen In dem Brenner bildet sich folgende Strömung aus: der genannten Einflußgrößen kompensiert werden. Die Verbrennungsluft tritt durch die Drallvorrich- Beispielsweise kann der Spiralwinkel größer gemacht tung 15 am Eintrittsende 4 in die Brennermuffel 2 ein. werden, wenn dafür die axiale Erstreckung der Drall-Sie strömt entlang der Muffelinnenwände im Sinne 60 schaufeln verringert wird. Wesentlich ist eben, daß der Pfeile E zum Austrittsende 5 der Brennermuffel. sich der gewünschte statische Unterdruck im Drall-Die Strömung entsprechend der Pfeile E hat einen system einstellt. Das gleiche kann dadurch erreicht 'leichten Drall, dessen Umfangskomponente infolge werden, daß anstatt einer Verringerung der axialen der konischen Erweiterung der Brennermuffel vom Erstreckung der Drallschaufeln der engste DurchEintritts- zum Austrittsende abnimmt. Im Bereich der 65 messer der Brennermuffel verringert wird, weil da-Brennerachse O ergibt sich dadurch vom Punkt P zum durch nach dem Drallsatz die Umfangsgeschwindig-Punkt Q ein Druckgefälle. Dieses Druckgefälle be- keit und die absolute Größe des Unterdrucks ebenfalls ' wirkt, daß sich ein Teil der Strömung E im Bereich ansteigen.

Die angegebenen Abmessungen sind optimal. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion besteht jedoch darin, daß sie gegenüber mäßigen Maßabweichungen wenig empfindlich ist. Diese ergeben noch keine schwerwiegende Funktionsstörung, sondern eben nicht ganz das bestmögliche Ergebnis.

Soll ausschließlich Brenngas verbrannt werden, so können die Gaszuführung 26 und die Brenngassammeiräume 25, 28 entfallen und das Gas stattdessen direkt in den zentralen Teilluftsammelraum 19 einge-

führt werden. Umgekehrt können im Falle des reinen Ölbetriebes die Zuführungen und Sammelräume für das Gas in Wegfall kommen. Ferner kann im Falle sehr hoher Luftvorwärmung an Stelle der Drallschaufeln 16 eine logarithmische Spirale für die Verbrennungsluft verwendet werden, welche den gleichen Spiralwinkel besitzt. Dies ist auch empfehlenswert, wenn die Verbrennungsluft stark verunreinigt ist. Hohen Ansprüchen genügt eine Drallvorrichtung, die ίο als logarithmische Spirale ausgebildet ist, jedoch nicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brenner für Öl, Gas oder pulverförmigen Brennstoff zum Befeuern eines Heizraums mit einer sich in Hauptströmungsrichtung der Durchsatzströmung konisch erweiternden langgestreckten Brennermuffel, einer am Eintrittsende angeordneten Brennstoffzuführung, einem radial verlaufenden Ringraum mit Drallschaufeln zur Zuführung von Verbrennungsluft, einem im Bereich der Brennstoffzuführung im Zentrum des Ringraumes angeordneten Spritzloch und mit einer sich an das Austrittsende der Brennermuffel anschließenden Beschleunigungsdüse für die Flammgase, dadurch gekennzeichnet, daß vom Hauptverbrennungsluftstrom ein in der Menge einstellbarer Teilluf tstrom abzweigbar und durch das Spritzloch (18) in die Brennermuffel einführbar ist und der im folgenden angegebene Spiralwinkel α sowie die auf den Austrittsdurchmesser D₁ der Brennermuffel bezogenen Abmessungsverhältnisse des Eintrittsdurchmessers d_± der Brennermuffel und der axialen Länge b der Drallschaufeln zugrunde gelegt werden, die unter Berücksichtigung der Kompensationsregel des Drallsatzes b · ά_χ· α = const, veränderlich sind

Eintrittsdurchmesser der

Brennermuffel ^JD₁ = 0>5

axiale Länge der Drallschaufeln 0/D₁ — 0,3 Spiralwinkel des Lufteintritts

gegen die Umfangsrichtung .... α = 12—14°

und ferner folgende gleichbleibende Abmessungsverhältnisse wiederum bezogen auf den Austrittsdurchmesser D₁ eingehalten sind

Austrittsdurchmesser der

Beschleunigungsdüse D₂ID₁ = 0,4

Länge der Brennermuffel LJD₁ = 1,8

Länge der Beschleunigungsdüse L₂^i = 0,8

Durchmesser des Spritzloches .. d_s/D₁ =0,12

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallschaufeln (16) als logarithmische Spiralen geformt sind, welche zwischen sich Luftkanäle bilden, deren überdeckende Länge wenigstens das 3fache des mittleren lichten Schaufelabstandes beträgt.

3. Brenner nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den zentralen Teilluftstromsammelraum (19) herum ein ringförmiger Brenngassammeiraum (25, 28) angeordnet ist, der durch zum Spritzloch (18) konzentrische öffnungen (29) mit dem Eintrittsende (4) der Brennermuffel (2) in Verbindung steht.

4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (^₂), auf dem die öffnungen (29) angeordnet sind, im Mittel etwa 50% des Eintrittsdurchmessers (^₁) der Brennermuffel beträgt.